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1、材料的磁学,主要内容,材料的磁性概述材料的抗磁性与顺磁性理论材料的铁磁性理论材料的磁性能指标磁性材料的应用,1. 材料的磁性,1.1 磁性的基本概念天然磁石:主要成分为Fe3O4,属于尖晶石结构的铁氧体,是永磁材料。v公元前4世纪,中国发明了司南v公元19世纪20年代,奥斯特发现电流能在周围空间产生磁场,即电流的磁效应。v20世纪初,法国的外斯提出了著名的磁性物质的分子场假说,奠定了现代磁学的基础。,一根通有I安培电流的无限长直导线,距导线轴线r处产生的磁场强度H为,一、磁场强度H,在国际单位制中,H的单位为A/m,表示材料在外磁场H的作用下在材料内部的磁通量密度。B的单位: T 或Wb/m2
2、B和H的关系为,二、磁感应强度B,式中是磁导率,是材料的本征参数。,在真空中,磁感应强度为式中0为真空磁导率,其值: 410-7 H/m,三、磁导率,磁导率的物理意义:表示材料在单位磁场强度的外磁场作用下,材料内部的磁通量密度。是材料的特征常数。,2. 有两种表示方法:绝对磁导率相对磁导率r= /0,3.相对磁导率r,定义:材料的磁导率与真空磁导率0之比。,r为无量纲的参数磁化率与相对磁导率之间的关系,定义:在外磁场H的作用下,材料中因磁矩沿外场方向排列而使磁场强化的量度,其值等于单位体积材料中感应的磁矩大小,即,四、磁化强度M,磁化强度M与磁场强度H及磁感应强度B有如下关系:,M,B与H方向
3、平行时, 为标量,否则,为张量,除了SI单位制以外,还有一种高斯(Gauss)单位制,当使用高斯单位制时,磁感应强度的表达式为,这里,B的单位为高斯G,磁场强度H的单位为奥斯特Oe。磁性常数(真空磁导率)为1,单位是G/Oe M是磁极密度,4M 是磁通线的密度。,一、磁矩磁源于电:环形电流周围的磁场,符合右螺旋法则,其磁矩定义为:m 载流线圈的磁矩I - 载流线圈通过的电流S - 载流线圈的面积n - 载流线圈平面的法线方向上的单位矢量,1.2 磁性的起源,轨道磁矩,自旋磁矩,轨道磁矩电子围绕原子核的轨道运动,产生一个非常小的磁场,形成一个沿旋转轴方向的磁矩,即轨道磁矩。,二、产生磁矩的原因,
4、材料的宏观磁性是组成材料的原子中电子的磁矩引起的。产生磁矩的原因有两个 :,自旋磁矩每个电子本身有自旋运动产生一个沿自旋轴方向的磁矩,即自旋磁矩它比轨道磁矩大得多。原子中每一个电子都看成一个小磁体,具有永久的轨道磁矩和自旋磁矩。,最基本磁矩:Bohr磁子(magneton)B原子中每个电子的自旋磁矩为: B(+为自旋向上,-为自旋向下)軌道磁矩大小则为:miB(mi为磁量子数)每个电子的自旋磁矩近似等于一个Bohr磁子,三、最基本磁矩 - 玻尔磁子,为原子中各电子磁矩总和 原子中每个电子都可以看作是一个小磁体,具有永久的轨道磁矩和自旋磁矩。 一个原子的净磁矩是所有电子磁矩的相互作用的矢量和,又
5、称为本征磁矩或固有磁矩。 电子对的轨道磁矩相互对消,自旋磁矩也可能相互对消,所以当原子电子层或次层完全填滿:磁矩为零如He, Ne, Ar以及某些离子材料。,四、原子磁矩,2. 物质的各类磁性,磁介质的分类顺磁质 (-10-5)抗磁质 (-10-5-10-2) 铁磁质:,材料的磁性取决于材料中原子和电子磁矩对外加磁场的响应,具体可分为:抗磁性、顺磁性、反磁性、铁磁性和亚铁磁性,其中前三种是弱磁性,后两种是强磁性,1. 抗磁性:没有固有原子磁矩 2. 顺磁性:有固有磁矩,没有相互作用 3. 铁磁性:有固有磁矩,直接交换相互作用 4. 反铁磁性:有磁矩,直接交换相互作用 5. 亚铁磁性:有磁矩,间
6、接交换相互作用 6. 超顺磁性:磁性颗粒的磁晶各向异性与热激发 的竞争,每一种材料至少表现出其中一种磁性,这取决于材料的成分和结构。,特点,在外加磁场存在时,外磁场会使材料中电子的轨道运动发生变化,感应出很小的磁矩,其方向与外磁场方向相反,称其为抗磁性,它是一种很弱的、非永久性的磁性,只有在外磁场存在时才能维持。,2. 物质的各类磁性2.1 抗磁性,一、定义:,原子的本征磁矩为零,外磁场作用使电子的轨道运动发生变化而引起的。,二、特征:,所感应的磁矩很小,方向与外磁场相反,即磁化强度M为很小的负值。相对磁导率r 1,磁化率 0(为负值)。在抗磁体内部的磁感应强度B比真空中的小。抗磁体的磁化率约
7、为-10-5数量级。所有材料都有抗磁性。因为它很弱,只有当其它类型的磁性完全消失时才能被观察。如Bi,Cu,Ag,Au,有些固体的原子具有本征磁矩;无外磁场作用时,材料中的原子磁矩无序排列,材料表现不出宏观磁性;受外磁场作用时,原子磁矩能通过旋转而沿外场方向择优取向,表现出宏观磁性,这种磁性称为顺磁性。,2.2 顺磁性,一、定义:,在此材料中,原子磁矩沿外磁场方向排列,磁场强度获得增强,磁化强度为正值,相对磁导率r 1,磁化率为正值。磁化率0,也很小,只有10-510-2。抗磁体和顺磁体对于磁性材料应用来说都视为无磁性。它们只有在外磁场存在下才被磁化,且磁化率极小。,二、特征:,有些磁性材料在
8、外磁场作用下产生很强的磁化强度。外磁场除去后仍保持相当大的永久磁性,这种磁性称为铁磁性。具有铁磁性材料的磁化率高达106 过渡金属铁、钴、镍和某些稀土金属如钆、钇、钐、铕等都具有铁磁性。此材料的磁化率可高达103,MH,材料是否具有铁磁性取决于两个因素:(1)原子是否具有由未成对电子,即自旋磁矩贡献的净磁矩(本征磁矩)(2)原子在晶格中的排列方式,2.3 铁磁性,铁、钴、镍等过渡元素都具有未成对的3d电子。 分别具有4、3和2的净磁矩。 铁、钴、镍金属在室温下具有自发磁化的倾向(交换作用)。 形成相邻原子的磁矩都向一个方向排列的小区域,称为磁畴。,Transitional metal - Un
9、filled d-, f- Orbitals Lead to Large Magnetic Moments!,2.3 铁磁性,交换作用:铁磁性除与电子结构有关外,还决定于晶体结构。实践证明,处于不同原子间的、未被填满壳层上的电子发生特殊的相互作用。这种相互作用称为“交换”作用。这是因为在晶体内,参与这种相互作用的电子已不再局限于原来的原子,而是“公有化”了。原子间好像在交换电子,故称为“交换”作用。而由这种“交换”作用所产生的“交换能”J与晶格的原子间距有密切关系。当距离很大时,J接近于零。随着距离的减小,相互作用有所增加,J为正值,就呈现出铁磁性。当原子间距a与未被填满的电子壳层直径D之比大
10、于3时,交换能为正值,当时,交换能为负值,为反铁磁性。,交换能与铁磁性的关系,居里点:铁磁体的铁磁性只在某一温度以下才表现出来,超过这一温度,由于物质内部热骚动破坏电子自旋磁矩的平行取向,因而自发磁化强度变为0,铁磁性消失。这一温度称为居里点TC。在居里点以上,材料表现为强顺磁性,其磁化率与温度的关系服从居里外斯定律, =C/(T-Tc) 式中C为居里常数,依据原子的磁矩(有轨道磁矩和原子磁矩,统称为原子磁矩)结构,铁磁性分为两类:本征铁磁性材料:在某一宏观尺寸大小的范围内,原子磁矩的方向趋于一致,此范围称为磁畴(一般为12微米,每个磁畴可以看作是具有一定自发磁化强度的小永磁体),这种铁磁性称
11、为完全铁磁性(Fe、Co、Ni)。大小不同的原子磁矩反平行排列,二者不能完全抵消,相对于外磁场表现出一定的磁化作用,称此种铁磁性为亚铁磁性(铁氧体)。,反铁磁性:反铁磁性,由于交换作用,相邻晶胞中的单电子自旋反向排列,引起相邻磁矩反向排列,在铁电性材料中有反铁电性。顺磁性和铁磁性:两者都具有永久磁矩,有外电场时,前者表现出极弱的磁性,后者磁化强度大,当移去外磁场,则前者不表现出磁性,而后者则保留极强的磁性。,在有些材料中,相邻原子或离子的磁矩呈反方向平行排列,结果总磁矩为零,叫反铁磁性。反铁磁性物质有某些金属如Mn,Cr等,某些陶瓷如MnO,NiO等以及某些铁氧体如ZnFe2O4等。 以氧化锰
12、(MnO)为例,它是离子型陶瓷材料,由Mn2+和O2-离子组成 O2-离子没有净磁矩,因为其电子的自旋磁矩和轨道磁矩全都抵消了;Mn2+离子有未成对3d 电子贡献的净磁矩在MnO晶体结构中,相邻Mn2+离子的磁矩都成反向平行排列,结果磁矩相互对消,整个固体材料的总磁矩为零,2.4 反铁磁性,对于反铁磁性与亚铁磁性的晶体(如:NiO、FeF2、Fe3O4),其晶格结构是磁性离子与非磁性离子相互交叉排列。两个磁性离子被非磁性离子隔开,磁性离子间距很大,故自发磁化难以用dd交换作用模型解释,此时磁性离子间的交换作用是以隔在中间的非磁性离子为媒介来实现的。 超交换作用,Mn2+O2- Mn2+的耦合,
13、以180o为例:基态时 磁性离子Mn2+不可能通过O2-发生相互作用,同时,Mn2+O2-也无交换作用。,例如:反铁磁性MnO,2. 处于激发态:O2-的一个激发态跃到近邻的Mn2+中去。最容易的是沿Mn2+方向具有伸展波函数的2p电子,使O2- O1-(L1,S=1/2, 0),同时,使一个Mn2+ Mn+ 。由于此时O1-的磁矩不为零,有一未配对电子,故可以与邻近的Mn2+ 的3d电子发生直接交换作用。,讨论: 若磁性离子的3d电子数n 5,则由2p激发到3d轨道的电子的自旋应与3d原有总自旋相反。 A0导致铁磁性。 若磁性离子3d电子数n0,导致反铁磁性。,2.5 亚铁磁性,指由次晶格之
14、间反铁磁性耦合,宏观呈现强磁性有序物质的磁性。亚铁磁性条件:每一次晶格中必须有足够浓度的磁性离子,以使另一次晶格的自旋保持反平行排列。,TTc时,呈顺磁性,但不服从居里外斯定律。,典型的亚铁磁性物质当属铁氧体,通常采用陶瓷烧结工艺制备。铁氧体是离子化合物,它的磁性来源于所含离子的磁性。,尖晶石铁氧体,M2+=Co2+、Ni2+、Fe2+、Mn2+、Zn2+过渡元素。,O2-半径大,晶格结构就以O2-作为密堆积,金属离子半径小,填充于密堆积的间隙中,尖晶石晶格结构的单胞中有两种间隙: 四面体间隙(A位64个):间隙小,填充较小尺寸的金属离子。 八面体间隙(B位32个):间隙大可填充较大尺寸的金属
15、离子。,一个晶胞,四面体,八面体,正型尖晶石铁氧体: ZnFe2O4, CdFe2O4X 2+离子填充A位, Y 3+离子填充B位,Zn,Fe,反型尖晶石铁氧体:,混合尖晶石铁氧体,分子磁矩:A、B两次晶格中磁性离子的自旋反平行耦合的磁矩。,某些铁磁性或亚铁磁性微小单畴粒子系统受热扰动而呈现出的顺磁性。,2.5 超顺磁性,如果磁性材料是一单畴颗粒的集合体,对于每一个颗粒而言,由于磁性原子或离子之间的交换作用很强,磁矩之间将平行取向,而且磁矩取向在由磁晶各向异性所决定的易磁化方向上,但是颗粒与颗粒之间由于易磁化方向不同,磁矩的取向也就不同。如果进一步减小颗粒的尺寸即体积,因为总的磁晶各向异性能正
16、比于K1V (K1是磁晶各向异性常数),热扰动能正比于kT,颗粒体积减小到某一数值时,热扰动能将与总的磁晶各向异性能相当,这样,颗粒内的磁矩方向就可能随着时间的推移,整体保持平行地在一个易磁化方向和另一个易磁化方向之间反复变化。从单畴颗粒集合体看,不同颗粒的磁矩取向每时每刻都在变换方向,这种磁性的特点和正常顺磁性的情况很相似,但是也不尽相同。在正常顺磁体中,每个原子或离子的磁矩只有几个玻尔磁子,但是对于直径5nm的特定球形颗粒集合体而言,每个颗粒可能包含了5000个以上的原子,颗粒的总磁矩有可能大于10000个玻尔磁子。所以把单畴颗粒集合体的这种磁性称为超顺磁性。,3.抗磁性与顺磁性理论,3.
17、1 抗磁性理论,根据拉莫定理: 在磁场中电子绕中心核的运动,除了其原有运动外,还会以恒定角速度wl(称为拉莫频率)绕磁场方向运动。若材料单位体积内的原子数为N,每个原子有Z个电子,第i个电子的轨道半径为ri,则附加的磁化强度为,磁化强度表达式,则可得抗磁性材料的磁化强度为:此式称为郎之万抗磁性表达式,是半经典理论。结论:磁化率随原子中的电子数的增加而增大,还与 成 正比,磁化率始终为负值。,从量子力学观点得:,1905年郎之万在经典统计理论基础上,首先给出了第一个顺磁性理论,其理论要点如下:设顺磁物质中每个原子(或磁离子)的固有磁矩为0,而且原子之间没有相互作用;当外磁场H=0,各原子磁矩受热
18、扰动的影响,在平衡态时,其方向是无规分布的,所以体系的总磁矩M=0;外加磁场H时,原子磁矩的角度分布发生变化,沿接近外磁场方向作择优分布,磁化强度正比于外磁场。,3.2 顺磁性理论,设第i个原子的磁矩为 ,单位体积内个N原子,外加磁场为H,则根据经典统计理论可推导出磁化强度与磁场强度、温度的关系式为上式即为顺磁性朗之万方程。,在高温下,kBT JH,所以 1式中C为居里常数,顺磁材料的居里定律:,(1)高温情况,根据-T实验曲线斜率的倒数,便可从实验上测出居里常数,再代入居里常数的定义式,就得到每个原子磁矩的大小。,(1)高温情况,这时,H kT,即 1 L ()=0 因而得到:M=N J=M
19、s (饱和磁化强度)可见,在低温下磁场足够强时,原子磁矩可趋于与磁场方向一致。郎之万最早从理论上推导出居里定律,他开创了从微观出发,用统计方法研究物质磁性的道路。然而,他的理论没有考虑到磁矩在空间的量子化,因而与实验结果相比,在定量上有较大的差别。,(2) 低温高磁场条件下,材料是否具有铁磁性取决于两个因素:(1) 原子是否具有由未成对电子,即自旋磁矩贡献的净磁矩(本征磁矩)(2) 原子在晶格中的排列方式,4. 铁磁性理论,一、铁磁性材料的决定因素,4.1 铁磁性,材料是否具有自发磁化形成磁畴的倾向与晶格中原子间距与它的3d轨道直径之比有关。比值在1.42.7之间的材料,如铁、钴、镍等有形成磁
20、畴的倾向,是铁磁性材料。比值在1.42.7之外的材料,如锰、铬等虽然也有未成对的3d电子贡献的净磁矩,但由于没有自发磁化形成磁畴的倾向,故成为非铁磁性材料。铁磁性材料所能达到的最大磁化强度叫做饱和磁化强度,用Ms表示。,二、M(B)与H的变化关系,铁磁性物质的磁化曲线(MH或B一H)是非线性的。 oa段:M的增加比较缓慢; ab段:增加较快 b点:达到Ms(饱和磁化强度);磁化至饱和后,磁化强度不再随外磁场的增加而增加。 纵坐标改为磁感应强度B,则对应于平衡值Ms的磁感应强度值称为饱和磁感应强度(Bs )磁导率随H的变化磁导率是B-H曲线上的斜率,磁化曲线,bC段: M由饱和磁化随H减少而减小
21、,这个过程叫退磁退磁过程中M的变化落后于H的变化。起始磁化曲线为 oc ,当外磁场减小时,介质中的磁场并不沿起始磁化曲线返回,而是滞后于外磁场变化, 磁滞现象。C点: H减少为0,而M =Mr; Mr称为剩余磁化强度。CD段: 当H=Hm 时, M =0; Hm称为矫顽力,对应于为消除磁感强度而需要加的反向磁场强度。DE段:继续增加反向磁场,介质达到反向磁饱和状态;改变外磁场为正向磁场,不断增加外场,介质又达到正向磁饱和状态磁化曲线的面积正比于磁滞损耗。,对于所有的磁性材料来说,并不是在任何温度下都具有磁性。一般地,磁性材料具有一个临界温度Tc, TTc ,由于高温下原子的剧烈热运动,原子磁矩
22、的排列是混乱无序的。TTc,原子磁矩排列整齐,产生自发磁化,物体变成铁磁性或亚铁磁性。,三、铁磁性材料的居里温度,铁磁体的居里温度 - 应用实例,利用这个特点,人们开发出了很多控制元件。例如,我们使用的电饭锅就利用了磁性材料的居里点的特性。在电饭锅的底部中央装了一块磁铁和一块居里点为1050C的磁性材料。当锅里的水分干了以后,食品的温度将从100 0C上升。当温度到达大约105 0C时,由于被磁铁吸住的磁性材料的磁性消失,磁铁就对它失去了吸力,这时磁铁和磁性材料之间的弹簧就会把它们分开,同时带动电源开关被断开,停止加热。,所谓磁畴,铁磁质中由于原子的强烈作用,在铁磁质内部形成磁场很强的小区域
23、磁畴。磁畴的体积约为 10-12 m3 。每个区域内包含大量原子,这些原子的磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列,但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同。各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。在无外磁场时,各磁畴排列杂乱无章,铁磁质不显磁性;也就是说磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。 在外磁场中,各磁畴沿外场转向,介质内部的磁场迅速增加,在铁磁质充磁过程中伴随着发声、发热。,一、磁畴,4.2 铁磁体的磁化机制,相邻磁畴之间的界线叫畴壁是一个有一定厚度的过渡层,在过渡层中磁矩方向逐渐改变。,二、畴壁,在畴壁的一侧,原子磁矩指向某个方向,假设在畴壁的另一侧原子磁矩方向相反。那么,在畴壁内部,原子磁矩
24、必须成某种形式的过渡状态。实际上,畴壁由很多层原子组成。为了实现磁矩的转向,从一侧开始,每一层原子的磁矩都相对于磁畴中的磁矩方向偏转了一个角度,并且每一层的原子磁矩偏转角度逐渐增大,到另一侧时,磁矩已经完全转到和这一侧磁畴的磁矩相同的方向。,磁畴壁处原子磁矩排列,通常约为0.10.01cm对于多晶体可能其中的每一个晶粒都是由一个以上的磁畴组成的;因此一块宏观的样品包含许许多个磁畴;每一个磁畴都有特定的磁化方向;整块样品的磁化强度则是所有磁畴磁化强度的向量和。,在一块不经外磁场磁化的样品中、磁畴的取向是无序的,故磁畴的向量之和为零,因此,整块磁体对外不显示磁性。,磁畴的线尺寸,三、磁化曲线与磁畴
25、的关系,三、磁化曲线与磁畴的关系,H增加,磁域界移动,磁域逐渐改变,磁矩方向转向,渐与磁场平行,单一磁域(饱和磁化)随着外磁场增加,能够提供转向的磁畴越来越少,铁磁质中的磁场增加的速度变慢,最后外磁场再增加,介质内的磁场也不会增加,铁磁质达到磁饱和状态。,三、磁化曲线与磁畴的关系,饱和磁化强度MS等于每个磁畴中原来的磁化强度,该值很大,这就是铁磁质磁性r大的原因。 磁滞现象是由于掺杂和内应力等的作用,当撤掉外磁场时磁畴的畴壁很难恢复到原来的形状,而表现出来,四、磁化程度,磁化,未必一定要磁化到饱和后才改变外磁场方向。 在右图中,封闭曲线即是未达到饱和时的磁滞回线。也可以在将材料磁化到任何一点时
26、开始改变外磁场的方向,产生其它形式的滋滞回线,如右图中的封闭曲线LM。,如果要将已磁化的铁磁体或亚铁磁体去磁,有效方法之一是使之经受一个振幅逐渐减小的交变磁场的作用。(1)加热法:由于加热使磁介质中的分子、原子的振动加剧,提供了磁畴转向的能量,使铁磁质失去磁性。(2)敲击法:通过振动可提供磁畴转向的能量,使介质失去磁性。如敲击永久磁铁会使磁铁磁性减小(3)加反向磁场法:加反向磁场,提供一个矫顽力Hc ,使铁磁质退磁。(4)加交变衰减的磁场:使介质中的磁场逐渐衰减为0 ,应用在录音机中的交流抹音磁头中。,退磁方法,磁滞损耗 在磁化过程中,由于磁性材料晶格缺陷会阻碍磁踌壁的运动、出现摩擦现象。摩擦
27、热所消耗的功就是磁滞损失,磁滞回线所包围的面积表征一个磁化周期内,以热的形式所消耗的功(J/m3)。最大的磁能积(BH)max它是磁滞回线在第二象限内磁感应强度和磁场强度乘积的最大值。,五、磁滞损耗与最大磁能积,磁化状态下的磁体中的静磁能量,一、 软磁材料 具有较高的磁导率和较高的饱和磁感应强度; 较小的矫顽力(矫顽力很小,即磁场的方向和大小发生变化时磁畴壁很容易运动)和较低磁滞损耗,磁滞回线很窄; 在磁场作用下非常容易磁化; 取消磁场后很容易退磁化,象软铁、坡莫合金、硒钢片、铁铝合金、铁镍合金等。 由于软磁材料磁滞损耗小,适合用在交变磁场中,如变压器铁芯、继电器、电动机转子、定子都是用软件磁
28、性材料制成。,4.4 铁磁材料分类,1、分类,在软磁材料中,可分金属软磁材料和非金属软磁材料。(一)纯铁和硅钢片 (二)软磁铁氧体,属于亚铁磁性范围。它与金属磁性材料相比导磁率与磁化率之比很大电阻率比较高。这是因为铁氧体中台有未被抵消的自旋磁矩金属离子的相互作用的结果。 铁氧体是将铁的氧化物(如Fe403)与其他某些金属氧化物用特殊工艺制成的复合氧化物。最典型的是以三价铁为基本组成的复合氧化物系列。如MFe2O4分子式中M为某些金属离子,2、软磁材料主要应用,制造磁导体,变压器、继电器的磁芯(铁芯)、电动机转子和定子、磁路中的连接元件、磁极头、磁屏蔽材料、感应圈铁芯、电子计算机开关元件和存储元
29、件等。软磁材料的应用要求 要求软磁材料的电阻率比较高因为使用中除上述磁滞能量损失之外,还可能因磁场变化在磁性材料中产生电流(涡流)而造成能量损失。为了尽量减少后一种能量损失,要求磁性材料的电阻率较高,因此常用固溶体合金(如铁-硅、铁-镍合金)和陶瓷铁氧体作软磁材料。,二、 硬磁材料,硬磁材料又称永磁材料,难于磁化又难于退磁。 具有较大的矫顽力,典型值Hc104106A/m; 磁滞回线较粗,具有较高的最大磁能积(BH)max; 剩磁很大; 这种材料充磁后不易退磁,适合做永久磁铁。 硬磁性材料如碳钢、铝镍钴合金和铝钢等。,1、主要特点,2、硬磁材料主要应用,用于制造各种永磁体,以便提供磁场空间;可
30、用于各类电表和电话、录音机、电视机中以及利用磁性牵引力的举重器、分料器和选矿器中。铝镍钴合金硬磁材料六方铁氧体硬磁材料稀土永磁材料一类是钕铁硼(Nd-Fe-B)系合金,是目前工业用硬磁材料最大磁能积最高者。其主要缺点是温度稳定性和抗腐蚀性稍差。一类是钴基稀土永磁材料,主要代表是SmCo5烧结永磁体和Sm2Co17多相沉淀硬化永磁材料。它们的缺点是脆,加工性稍差。,三、铁氧体,铁氧体是含铁酸盐的陶瓷氧化物磁性材料,一般呈现出亚铁磁性。 磁滞回线呈矩形,又称矩磁材料, 剩磁接近于磁饱合磁感应强度 具有高磁导率、高电阻率 由Fe2O3和其他二价的金属氧化物(如NiO,ZnO等粉末混合烧结而成。 可作
31、磁性记忆元件,1、特点,2、铁氧体磁性与铁磁性的异同,铁氧体是含铁酸盐的陶瓷氧化物磁性材料。它们有相同点:都具有自发磁化强度和磁畴,因此也被统称为铁磁性物质它们的不同之处在于:铁氧体一般都是多种金属的氧化物复合而成;铁氧化磁性来自两种不同的磁矩;一种磁矩在一个方向相互排列整齐,另一种磁矩在相反的方向排列,这两种磁矩方向相反、大小不等,两种磁矩之差值不等于零,就产生了自发磁化现象因此,铁氧体磁性又称亚铁磁性,3、按结构分类,尖晶石铁氧体:属立方晶系,化学式为Fe3+(Fe2+M2+)O4 磁铅石铁氧体:属六方晶系,与反尖晶石类似,AB12O19表示。最普通的六方铁氧体:PbFe12O19和BaF
32、e12O19 石榴石型铁氧体的结构属立方晶系化学一般式可写为M3Fe5O12,其中M代表稀土离子,如:衫、铕、钆或钇等。,可分为软磁材料、硬磁(也称永磁)材料和矩磁材料软磁材料的特点是矫顽力Hc小、磁导率高、磁损耗低、饱和磁感应强度Bs大、电阻率高、截止频率高,在音频、中频范围主要采用Ni-ZnM- Zn ,LiZn等尖晶石型铁氧体,而在超高频(108HZ)时,则用CoBa,NiBaZr-Ba等磁铅石型铁氧体,软磁材料主要应用于电感线圈、小型变压器、脉冲变压器、中频变压器、天线棒等的磁芯以及录音磁头、电视偏转磁扼、磁放大器等,4、按磁滞回线特征分类,Nd-Fe-B永磁材料,各种电器向着小型化、
33、节能化方向发展。使用稀土永磁材料的微特电机与传统电机相比,其耗电量有了较大幅度的下降,发展永磁材料产业,特别是高档稀土永磁材料 ,尤为重要. 判断一种永磁材料是否有发展前途有以下三个判据 1、磁性能的高低,包括最大磁能积(BH)max,剩余磁极化强度Jr和内禀矫顽力Hc;2、温度稳定性的好坏,包括各种磁性能的温度系数和居里点Tc;3、制造成本是否低廉,包括原材料是否丰富,工艺是否简单易行,铁氧体的最大优点是价格低廉,但磁性能不高 Sm-Co永磁体的温度稳定性优于任何一种永磁材料,居里点高达800以上,但Sm在地壳中的含量甚微,Co是战略储备物资, Sm-Co永磁体价格太高 Nd-Fe-B永磁材
34、料具有优异的综合磁性能,被称为“永磁材料之王” 缺点:居里点稍低(Tc=310),温度稳定性差一些,Nd2Fe14B硬磁相的高磁晶各向异性,在高退磁场环境中得到了广泛的应用 的低磁晶各向异性、高饱和磁极化强度使其成为一种性能超群的软磁材料找到一种磁体,使其既具有硬磁相的高内禀矫顽力又具有软磁相的饱和磁极化强度高、易充磁的优点?永磁材料的最大磁能积(BH)max有一个理论上限,Js为饱和磁极化强度,理想条件下的永磁体,必须满足下面两个条件:(a)剩余磁极化强度Jr=Js,也就是说在永磁体内不能有空洞和其他非磁性相存在,而且永磁体的易磁化轴与所加外磁场方向完全一致;(b)内禀矫顽力,由表2可见,硬
35、磁相和软磁相在磁晶各向异性和饱和磁学性质两方面各有所长,“多相复合磁体”,多相复合磁体,集硬磁相和软磁相的优点于一身,硬磁相提供足够高的磁晶各向异性,软磁相提供尽可能高的饱和磁极化强度,软磁相的存在还会使“多相复合磁体”的整体成本下降,抗腐蚀性提高 纳米复相Nd-Fe-B永磁材料的分类 Nd2Fe14B型纳米相复合磁体,以硬磁相为基体,均匀细小的软磁晶粒弥散分布于其中,Jr高达1.0T以上,Nd2Fe14B型纳米相复合磁体,主要突出其剩磁高、成本低、易充磁以及抗腐蚀性好的特点,Jr=1.2T, Hc=0.4T,(BH)max=95kJm3,型复合磁体,复合磁体,Jr=1.28T,iHc=252
36、kAm,(BH)max=146kJm3。这种磁体除了具有成本低的优势外,高含量所带来的易变形性是其潜在的实用价值,分类,Nd元素的原子百分比来看,可以划分为三种1、高Nd合金,Nd13at%。这种合金的内禀矫顽力在三种材料中最高,而剩磁却最低微观:富Nd顺磁相聚集于 晶粒的边界处,这些顺磁相可以阻止磁畴畴壁的移动,从而提高材料的内禀矫顽力。材料的剩磁因磁稀释作用而下降 Nd合金或者标准成分合金 Nd元素含量在11at%和13at%之间, 晶粒被一层非晶薄层所包围,如美国MQ公司生产的MQP系列磁粉,低Nd合金,Nd11at% ,由硬磁相NdFeB和软磁相A-Fe或FeB组成。这种材料被称为纳米
37、复相快淬Nd-Fe-B永磁材料,具有很大的实用潜力和很高的学术研究价值,磁性纳米生物材料研究进展及其应用,磁性纳米生物材料多为核壳式的纳米级微球。根据不同的应用方式,磁性纳米微球可有三种结构核- 壳结构,即由磁性材料组成核部,高分子材料作为壳层;以磁性材料为核部,可以在高分子外层连接所需携带的药物、抗体等,核- 壳结构,壳- 核结构,壳- 核- 壳,壳- 核结构,即将高分子材料作为核部,外面包裹磁性材料; 壳- 核- 壳结构,即最外层和核部为高分子材料,中间层为磁性材料。第二种和第三种结构则是以高分子层为核部,可在核部结合对生物体内环境较敏感的药物等,避免其在到达靶部位前与生物环境发生反应,而降低疗效或对其他细胞、组织、器官产生毒副作用,核- 壳结构,研究较多的为第一种结构,它由两部分组成:具有磁导向(靶向性) 的核层(磁性材料) 和具有一定活性基团和生物相容性的壳层。磁性材料主要是由纳米级的金属氧化物(如铁、钴、镍等氧化物) 组成,而壳层由合成高分子或生物高分子包囊而成。可通过适当的方法将壳层与核层结合,形成具有一定磁导向性和生物活性或反应活性的载体。,
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